兩種吸附床傳熱熱阻分析及其強(qiáng)化傳熱研究

朱靜

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北　武漢　430070）

兩種吸附床傳熱熱阻分析及其強(qiáng)化傳熱研究

朱靜

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北武漢430070）

對(duì)殼管式吸附床和重力式熱管吸附床進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)比分析2種吸附床的結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)其傳熱熱阻進(jìn)行計(jì)算，2種吸附床傳熱熱阻中最大的為冷熱流體與吸附床外表面的對(duì)流傳熱熱阻以及接觸熱阻，而導(dǎo)熱熱阻所占的比例較小。基于計(jì)算的結(jié)果，還提出了不同吸附床強(qiáng)化傳熱的措施和對(duì)策。

殼管式吸附床；重力式熱管吸附床；傳熱熱阻

吸附床在吸附式制冷系統(tǒng)中相當(dāng)于壓縮式制冷系統(tǒng)的“心臟”——壓縮機(jī)的作用，其性能優(yōu)劣直接影響到吸附制冷系統(tǒng)的制冷能力。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)吸附床的研究集中于傳熱性能方面，主要是吸附床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和新型吸附床的研發(fā)。

1　兩種吸附床的結(jié)構(gòu)分析

1.1殼管式吸附床

殼管式吸附床的結(jié)構(gòu)及單元管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1和圖2所示，殼管式吸附床與殼管式換熱器相似，外殼內(nèi)裝有單元管有序排列成的管組。各個(gè)單元管之間換熱流體從殼側(cè)流過(guò)，吸附劑填充在單元管內(nèi)，單元管中間有一傳質(zhì)通道，鋁翅片填充在傳質(zhì)通道和單元管外徑之間，在管子中間均勻填充吸附劑CaCl2和NH3的絡(luò)合物，分別以低壓蒸汽和冷卻水為熱源和冷源。殼管式吸附床的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示［1］。

圖1　殼管式吸附床的結(jié)構(gòu)

圖2　殼管式吸附床單元管結(jié)構(gòu)示意圖

表1　單元管結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2　重力式熱管吸附床的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2重力式熱管吸附床

重力式熱管吸附床結(jié)構(gòu)圖和單元管結(jié)構(gòu)示意圖見圖3和圖4，中間介質(zhì)在吸附床的下端吸收煙氣傳遞的熱量后蒸發(fā)，蒸汽攜帶汽化潛熱向上流動(dòng)，經(jīng)過(guò)絕熱段后，在凝結(jié)段的氣液界面上冷凝變成液體，冷凝熱通過(guò)管殼傳給冷源后依靠重力作用回流工作液體。單元管正中心是熱管，兩邊180°均勻分布2個(gè)傳質(zhì)通道，管內(nèi)其他空間填充吸附劑，鋁翅片填充在吸附劑填充的空間內(nèi)。重力式熱管吸附床的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示［2，3］。

圖3　重力式熱管吸附床結(jié)構(gòu)圖

圖4　重力式熱管吸附床單元管結(jié)構(gòu)示意圖

2　兩種吸附床單元管的傳熱熱阻分析

2.1殼管式吸附床傳熱熱阻分析

單元管是殼管式吸附床中最基本的結(jié)構(gòu)，其換熱效果直接影響到系統(tǒng)的制冷性能。在換熱過(guò)程中，單元管的傳熱過(guò)程示意圖如圖5所示［4］。

圖5　換熱流體與吸附劑的傳熱過(guò)程示意圖

①對(duì)流換熱熱阻。對(duì)流換熱系數(shù)為：

傳熱熱阻為：

式（1）（2）中，Nu為努塞爾數(shù)；λ為煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/ （m·K）；dp為當(dāng)量直徑，mm；A0為單元管的外表面積，mm2。

本文中，采用冷卻水對(duì)吸附床進(jìn)行冷卻，冷卻水的對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算與加熱過(guò)程相同［5，6］。

②單元管的導(dǎo)熱熱阻。單元管的材料選擇為不銹鋼S304，導(dǎo)熱熱阻為：

③鋁翅片與吸附劑之間的傳熱熱阻。鋁翅片與吸附劑換熱系數(shù)hi的確定采用已有研究［10］中的計(jì)算方法，可得鋁翅片與吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)hi=73.94W/（m2·K）［7］。

添加鋁翅片與未加是的面積比為：

鋁翅片與吸附劑的傳熱熱阻為：

④吸附劑的導(dǎo)熱熱阻為：

吸附床在加熱過(guò)程中，從熱源低壓蒸汽到單元管內(nèi)吸附劑的各部分傳熱情況如表3所示。吸附床在冷卻過(guò)程中，從冷源水到單元管內(nèi)吸附劑的各部分傳熱情況如表4所示。

表3　吸附床加熱過(guò)程中單元管各部分的換熱

表4　吸附床冷卻過(guò)程中單元管各部分的換熱

由此可以得出，在殼管式吸附床中，外壁面的對(duì)流換熱以及內(nèi)壁面與吸附劑接觸處的傳熱熱阻是最大的，因此，吸附劑解吸或吸附過(guò)程中影響傳熱最重要的因素就是吸附床的內(nèi)外壁面的對(duì)流換熱［8］。

2.2重力式熱管吸附床傳熱熱阻分析

重力式熱管吸附床的解吸和吸附過(guò)程將熱、冷量傳給熱管，高效熱管將熱、冷量迅速由蒸發(fā)段傳向冷凝段，在冷凝段將熱、冷量釋放出來(lái)傳給吸附床，所以傳熱單元管總的換熱熱阻為：R=R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7。

①冷凝相變熱阻R1：

式（7）中，Rv為工作介質(zhì)的氣體常數(shù)，J/（kg·K）；l2為熱管冷凝段的長(zhǎng)度，m；Tv為工作介質(zhì)的蒸汽溫度，K；Pv為工作介質(zhì)的蒸汽壓力，Pa；hfg為工作介質(zhì)的汽化潛熱，J/ kg；φ為熱管直徑，m。

②熱管壁面導(dǎo)熱可看成是單層圓筒壁導(dǎo)熱，其熱阻為R2：

式（8）中，λ2為熱管管壁解吸溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/ （m·K）；吸附劑在125℃時(shí)開始解吸，熱管蒸汽的溫度約為150℃，導(dǎo)熱系數(shù)按36.4W/（m·K）計(jì)算；φ′為熱管的內(nèi)徑，m。

③翅片與吸附劑之間的換熱熱阻R3。鋁翅片與吸附劑的傳熱熱阻為：

④吸附劑的導(dǎo)熱熱阻R4。吸附劑平鋪在翅片上，1g分子純CaCl2粉末能吸附8g分子氨氣，在正常解吸溫度下（150℃以下）解吸出6g分子氨氣，有2g分子氨不能解析，重新進(jìn)入吸附狀態(tài)時(shí)，最多能吸附6g分子氨氣［9］。

所以，在解吸和吸附的過(guò)程中，氯化鈣都是以其絡(luò)合物的狀態(tài)存在，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，絡(luò)合物導(dǎo)熱系數(shù)為0.3W/ （m·K），則吸附劑的導(dǎo)熱熱阻R4為：

⑤蒸發(fā)段的換熱熱阻R5：

式（11）中，h＂為煙氣與管壁綜合換熱系數(shù)，W/（m2· K）；φ為煙氣與管壁總的換熱量，W；l1為熱管蒸發(fā)段的長(zhǎng)度，m。

⑥蒸發(fā)壁面導(dǎo)熱熱阻R6。熱管具有一定的厚度，設(shè)內(nèi)徑為φ1，蒸發(fā)壁面導(dǎo)熱熱阻為：

式（12）中，λ1為熱管壁在該溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/ （m·K）。

⑦蒸發(fā)相變熱阻R7。煙氣加熱，將熱量從熱管的外部傳入熱管內(nèi)部，處于熱管加熱段的飽和液體汽化。與熱管冷凝段相變熱阻公式一樣，蒸發(fā)相變熱阻R7由下式計(jì)算：

式（13）中，l1為熱管蒸發(fā)段的長(zhǎng)度，m。

重力式熱管吸附床吸附單元管各熱阻所占的比例如表5所示。

3　兩種吸附床強(qiáng)化傳熱措施

3.1減小換熱流體與外表面的對(duì)流換熱熱阻

根據(jù)上述分析，換熱流體與吸附床外壁面的傳熱熱阻在總傳熱熱阻上占據(jù)很大的部分，因此為了提高總體傳熱系數(shù)，關(guān)鍵在于減少此處的傳熱熱阻［10］。

表5　重力熱管式吸附床各熱阻所占的比例

3.2減小單元管管壁的導(dǎo)熱熱阻

3種吸附床的導(dǎo)熱熱阻一般很小，幾乎不影響單元管的傳熱性能，可以不予考慮。

3.3減小內(nèi)壁面與吸附劑的傳熱熱阻

內(nèi)壁面與吸附劑之間的傳熱熱阻主要指的是接觸熱阻，它是吸附床傳熱過(guò)程中最重要的熱阻，所占比例最大。以下方法可有效減小接觸熱阻：①增加接觸密實(shí)性，通過(guò)光滑內(nèi)壁面或者增大吸附劑對(duì)內(nèi)壁面的壓力，來(lái)盡量減小吸附劑與內(nèi)壁面的接觸空隙，減小接觸熱阻；②將吸附劑的水溶液灌入單元管內(nèi)，然后結(jié)晶形成吸附劑晶體，這不僅增大吸附劑與單元管內(nèi)壁面的接觸面積，還可以通過(guò)結(jié)晶形成一種化學(xué)力，增強(qiáng)單元管內(nèi)壁面與吸附劑的傳熱；③使單元管內(nèi)鋁翅片的軸向高度減小，使翅片更加密集，增大吸附劑與單元管內(nèi)壁面的接觸面積，增強(qiáng)傳熱效果。

3.4減小吸附劑內(nèi)部的傳熱熱阻

吸附劑氯化鈣為比表面積較大的多孔介質(zhì)，由于孔隙率的存在使其導(dǎo)熱系數(shù)很小，而且吸附劑的填充厚度也比較大。所以，傳熱介質(zhì)與吸附劑顆粒之間的傳熱熱阻相對(duì)很小。但是，加入內(nèi)置鋁翅片后，吸附劑的軸向傳熱效果可以得到明顯改善，但在單元管的軸向還是存在較大的傳熱熱阻。為了減小吸附劑軸向傳熱溫差，可以在吸附劑中加入鋁粉、石墨粉等導(dǎo)熱性能良好的固體顆粒，或者對(duì)吸附劑進(jìn)行固化處理，以改變吸附劑的顆粒分布情況等。

3.5增大冷熱源與管道之間的擾動(dòng)來(lái)改善換熱

在重力熱管式吸附床中，煙氣與熱管外壁之間的對(duì)流換熱系數(shù)也比較低。一方面，可以通過(guò)在煙氣管道內(nèi)加擋板的方式，增加煙氣與管道之間的擾動(dòng)來(lái)提高換熱系數(shù)；另一方面，可以在熱管管壁的外表面加翅片來(lái)提高其接觸面積，以減少對(duì)流換熱熱阻。

［1］王如竹，王麗偉.低品位熱能驅(qū)動(dòng)的綠色制冷技術(shù)：吸附式制冷［J］.科學(xué)通報(bào)，2005（2）：101-111.

［2］張綽.二臺(tái)以上發(fā)生器吸附制冷系統(tǒng)：中國(guó)，200710053043.6.［P］.2007.

［3］螺旋板式換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算［J］.石油化工設(shè)備簡(jiǎn)訊，1972 （4）：33-38.

［4］谷杰然.熱管式吸附床在船舶吸附式制冷中的應(yīng)用研究［D］.大連：大連海事大學(xué)，2008.

［5］李正密.重力式熱管工作溫度的計(jì)算［J］.能源工程，1985 （2）：32.

［6］潘繼紅，田茂誠(chéng).管殼式換熱器的分析與計(jì)算［M］.北京：北京科學(xué)出版社，1996.

［7］吳業(yè)正.小型制冷裝置設(shè)計(jì)指導(dǎo)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［8］L Marletta，G Maggio，A Freni，et al.A non-uniform temperature non-uniform pressure dynamic model of heat and mass transfer in compact adsorbent beds［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2002（16）：3321-3330.

［9］楊培志，陳煥新.吸附式制冷循環(huán)熱力學(xué)及性能［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（3）：461-467.

［10］HulseGE.RefroidissementWagonFrigorifiquea Marchandises par un System Adsorption Utilisant le gel de Silice［J］.Revue Gen Friod.1929（10）:281-284.

Heat Transfer Resistance Analysis and Enhancement of Two Kinds Adsorption Bed Unit Tube

Zhu Jing
（Patent Examination Cooperation Hubei Center of the Patent Office，SIPO，Wuhan Hubei，430070）

This paper focused on the design of tube type adsorbent bed and the gravity heat pipe adsorption bed，made a comparison on the structure of this two different adsorption bed and computed their heat transfer resistance，of which thermal-convection resistance and thermal contact resistance were the largest，and the thermal-conduction resistance was the smallest.Based on the results of the calculation，some actions and countermeasures to enhance heat transfer intensity were put forward.

tube type adsorbent bed；gravity heat pipe adsorption bed；heat transfer resistance

TK124

A

1003-5168（2016）05-0142-04

2016-04-16

朱靜（1988-），女，碩士，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：專利的實(shí)質(zhì)審查。